基于DSP的DSTATCOM触发系统的实现
2008-07-23
作者：张军利
摘 要： 基于DSP的SVPWM脉冲信号的产生，并以此脉冲信号触发DSTATCOM装置工作，从而产生期望的无功功率，实现无功补偿的目的。
关键词： 配电网静止同步补偿器；数字信号处理器；空间矢量脉宽调制；触发系统
DSTATCOM的工作原理可以简单描述为：将自换相桥式电路通过电抗器或者变压器并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流" title="无功电流">无功电流，实现动态无功补偿的目的。脉冲触发系统" title="触发系统">触发系统作为DSTATCOM控制系统的重要组成部分，其根据控制电路输出的控制信号产生相应的触发脉冲以驱动功率器件工作。文献[1]介绍了基于CPLD的SPWM脉冲发生器的实现过程，SPWM实现相对简单容易，但其谐波含量高、电压利用率不高。文献[2]介绍了特定谐波消除（SHE-PWM）技术应用于DSTATCOM脉冲触发系统。SHE-PWM算法可以很好地起到消除DSTATCOM输出电压电流低次谐波的目的，然而对低次谐波的消除是以牺牲高次电压谐波为代价的，并且电压谐波集中在开关频率附近。本文介绍了基于DSP的SVPWM脉冲信号的产生，并以此脉冲信号触发DSTATCOM装置工作，从而产生期望的无功功率，实现无功补偿的目的。
1 DSTATCOM主电路" title="主电路">主电路及控制方法简介
DSTATCOM主电路分为电压桥式电路和电流桥式电路。两者的区别是直流侧分别采用电容和电感这两种不同储能元件。对电压型" title="电压型">电压型桥式电路，需要串联电抗器才能并上电网；对电流型桥式电路，需要并联电容器才能并上电网。由于运行效率的原因，实际应用的DSTATCOM大多采用电压型桥式电路，图1给出了电压型静止同步补偿器主电路图。本文的DSTATCOM专指采用自换相的电压型桥式电路作为主电路的动态无功补偿装置。
DSTATCOM控制策略根据补偿器要实现的功能和应用场合选择，控制策略包括开环控制、闭环控制和两者相结合的控制策略。根据控制理论的基本原理，要得到稳定的电压，必须引入电压负反馈，通过装置电压U和装置电压参考值Uref的比较，由其偏差来控制装置的运行。因此DSTATCOM控制系统一般采用直流侧电压的外闭环反馈控制，同时为了改善控制性能，可以在此基础上引入补偿电流的反馈控制。具体说来这种控制方式可以分为无功电流间接控制和直接控制两种方式。电流直接控制，就是采用跟踪型PWM技术对电流波形的瞬时值进行反馈控制；电流间接控制，就是调节PWM调制深度λ来控制直流电压Udc，从而调节DSTATCOM装置交流侧电压Ug的大小以控制无功性质和大小，而Ug也可以通过改变相角差δ角来调节，进而改变无功电流Iq的大小。由于装置运行效率和开关器件自身要求的原因，本文采用电压型桥式电路的间接电流控制方法。
2 SVPWM信号发生原理
设逆变器三相电压为：
将式（1）代入（2），得到理想供电电压下的逆变器空间电压合成矢量：
逆变器需满足以下条件：(1)任一时刻总有三个功率开关器件处于导通状态，另三个处于关断状态；(2)上下桥臂不能同时导通。
满足上述两个条件的开关模式只有8种，分别对应着8个空间电压矢量
(110)为有效矢量，幅值大小为Udc；
为零矢量，幅值为零，如图2所示。
SVPWM的调制，将逆变器交流侧期望的二维静止α-β坐标系上的两个正交电压向量VSαref和VSβref作为空间矢量信号实时调制的给定值。由空间电压矢量SVPWM的原理知道，算法的关键是判断矢量所在扇区和矢量作用时间。
2.1 Uout所在扇区的判断方法
假定合成的矢量落在第3扇区，则可知其等价条件为：
同理可得合成的电压矢量落在其他扇区的等价条件，综合整理可得到具体的扇区判断算法。
定义：
按如下逻辑执行，则可确定扇区：
IF Vref1>0 THEN A=1 ELSE A=0；
IF Vref2>0 THEN B=1 ELSE B=0；
IF Vref3>0 THEN C=1 ELSE C=0；
SECTOR＝A+2×B+4×C。
由此可以求出矢量Uout所在的扇区即是SECTOR的数值。
2.2 确定某扇区各矢量的作用时间
定义：在一个PWM周期Tp中，t1为主矢量（先作用的矢量）作用时间，t2为辅矢量（后作用的矢量）作用时间，t0为每个零矢量的作用时间。假定合成矢量落在第3扇区。
代入公式(2)，并整理得：
代入公式（2），并整理得：
根据伏秒平衡原则得：
同理，可以计算出其他扇区各矢量的作用时间。这些表达式都由如下三个独立的表达式构成，在此定义：
对于不同扇区，t1、t2根据表1取值。
当已知合成矢量所在的扇区，以及主矢量、辅矢量和零矢量的作用时间，就可以按照各扇区SVPWM的波形时序产生SVPWM波。
3 DSTATCOM触发系统的设计
DSTATCOM触发系统必须具有以下基本功能：(1)功能要求：接收来自控制器给定的控制角" title="控制角">控制角δ和PWM调制深度λ指令；根据控制角δ和调制深度λ，按照α-β坐标系下的SVPWM控制算法产生触发脉冲，实现逆变器输出电压幅值和相位的调节。(2)参数性能要求：要求控制角δ在（-6°～+6°）之间，可以任意调节。如果δ的分辨率越高，DSTATCOM对无功的调节就越平滑，δ分辨率不应大于0.05°；λ要求在0～1之间可以任意调节，分辨率为0.01即可。(3)安全性要求：在DSTATCOM建模时总是假定其交流侧电压与系统电压频率一致，控制角δ在额定无功功率时很小，如果DSTATCOM交流侧电压存在轻微不同步，则装置可能在几个周期内就出现过流而无法继续工作，因而对DSTATCOM的目标电压与系统正序电压同步有严格的要求；在实际的逆变系统中，需要对PWM脉冲进行死区补偿，以防止上下桥臂的开关器件同时导通，形成短路，烧毁开关器件；在DSTATCOM系统中，一旦在逆变系统出现过流、过热等故障，要求触发系统立即封锁PWM信号，保证DSTATCOM的安全。
为了满足以上功能要求，采用TMS320LF2407A DSP实现了DSTATCOM的脉冲触发系统。TMS320LF2407A内部的每个事件管理器模块都具有极大简化对称空间矢量PWM波形产生的内置硬件电路。需要设置的寄存器有：ACTRA寄存器，用来定义比较输出引脚的输出方式；COMCONA寄存器，用来使能比较操作和空间矢量PWM模式，并把CMPR1，2，3的重装载条件设置为下溢，通用定时器T1设置为连续增/减计数模式，并启动定时器。接下来由DSTATCOM交流侧指令电压Uout确定每个PWM周期的参数：两个相邻向量Ux和Ux+60，参数T1，T2，T3，将相应于Ux的开启方式写入ACTTRA.14～12位中，并将1写入ACTRA.15中，再将1/2T1写到CMPR1寄存器，将1/2(T1+T2)的值写入CMPR2寄存器。一般情况下，在使用空间矢量PWM时应满足如下关系式：CMPR1≤CMPR2≤T1PR。比较寄存器CMPR3没有用于空间矢量PWM输出，它仍可应用于其他定时事件的发生。
4 实验结果及分析
针对上节的寄存器设置情况，生成的空间矢量PWM波形是关于每个PWM周期中心对称的，因此称其为对称空间矢量PWM法，其波形示例如图3所示。
对六路PWM输出口进行滤波并观察其输出波形，可得输出波形如图4所示。
经滤波后PWM口输出波形为馒头波，表明由此触发脉冲系统发出的脉冲波经过功率放大触发DSTATCOM主电路逆变桥是正确合理的，能够得到期望的正弦指令电压。将此触发系统应用到实际DSTATCOM装置中进行了实验，图5和图6为部分实验结果。图5为示波器测量的DSTATCOM装置交流侧输出线电压波形，可见其完全达到了期望的程度；图6中，t1时刻装置的给定无功电流指令由吸收无功电流转变为发出无功电流，经过不到3个基波时间的调整，到t2时刻电流的相位基本满足要求，超前电压90°，且t2时刻电流的幅值比t1时刻电流幅值大的多。
本文根据DSTATCOM触发系统的具体要求，采用美国德州仪器公司的TMS320LF2407A DSP设计了脉冲触发系统，此款DSP芯片在硬件上内置了PWM波形产生电路。与其他各种PWM脉冲波相比较，空间矢量脉宽调制（SVPWM）具有物理概念清晰，算法简单，适用于数字实现，且电压利用率高（其输出线电压基波最大幅值为直流侧电压），谐波含量低，开关损耗小（每次切换只牵涉两相桥臂上最相邻的两个功率开关动作，开关次数少，在PWM频率很高时，开关损耗明显降低）以及硬件电路简单等特点。本文采用SVPWM脉冲触发原理设计了DSTATCOM的触发系统，由DSTATCOM实际运行结果可见，此处设计实现的DSTATCOM触发系统完全满足装置的实际需要。
参考文献
[1] 高淼.自治型STATCOM触发系统的研究[D].西安理工大学硕士学位论文集，2004.
[2] 刘文华，卢军锋，郑征，等.基于SHE-PWM的DSTATCOM的控制器和脉冲发生器的设计[J].清华大学学报，2002，(9)：1188-1191.
[3] 刘和平，严利平，张学锋，等.TMS320LF240X DSP结构原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.
[4] 魏文辉，刘文华，腾乐天，等.大容量链式STATCOM的基频优化PWM控制[J].清华大学学报，2004，(10)：1306-1309.